DETERMINANTS OF HUMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS-1TRANSMISSION TO THE FEMALE GENITAL MUCOSA:ROLE OF CO-INFECTING PATHOGENS AND CYTOKINES IN SEMEN

Background. In semen Human immunodeficiency virus (HIV)-1 and co-infecting pathogens are immersed in a complex network of cytokines that affects the replication and infectivity of sexually transmitted pathogens, and, at the same time, is affected by local infections in the male genital tract (MGT). Understanding the mechanisms of these interactions requires a comprehensive analysis of coinfecting pathogens and cytokines in semen, and of the relations with HIV-1. Methods. Load of HIV-1 and 6 herpesviruses in semen and blood plasma of 83 HIV-1 chronically infected individuals naïve to therapy and 33 HIV-uninfected individuals was evaluated by real-time PCR. A multiplex beads-based assay was used to measure the levels of 21 cytokines. The cytokine network was defined calculating the Spearman`s rank correlation coefficient for all pairwise combinations of cytokines. Human cervico-vaginal and lymphoid tissue blocks were inoculated with HIV-1 and treated with interleukin (IL)-7. Replication of R5 or X4 HIV-1 variants was monitored over a period of 12 days measuring HIV-1 p24gag antigen by a beads-based assay. Cells isolated from tissue blocks at day 6 and 9 post-infection were characterized for the expression of the markers CD3, CD4, CD8, and HIV-1 p24gag antigen, and apoptosis was evaluated measuring the expression of the proteins APO2.7 and Bcl-2 by multicolor flow cytometry. Results. Epstein-Barr virus (EBV) and cytomegalovirus (CMV) DNA was found in semen of the majority of HIV-1-infecetd individuals (56% and 70%), but not in their blood. Blood and semen are separated immunological compartments, and with HIV-1 infection the major changes in cytokine composition occur in semen (16 vs 9 cytokine levels altered in blood). CMV reactivation in the MGT was associated with increased levels of the cytokines CCL5, CCL11 and CXCL9. Analysis of the cytokines network revealed a higher number of correlations and increase in correlation strength for most of the cytokines in semen and blood of HIV-1-infected compared to HIV-uninfected individuals. Of note, interleukin (IL)-7 resulted to be one of the most concentrated cytokines in semen and HIV-1 infection further increased seminal IL-7. Thus we employed our system of human tissues ex vivo to study the effect of IL-7 on HIV-1 replication. IL-7 enhanced the replication of R5 and X4 HIV-1 variants in dose and time-dependent manner. In tissue blocks treated with 25 ng/mL of IL-7 we observed higher number of HIV-1 infected CD4+ T cells and reduced CD4+ T cell depletion, compared with tissue blocks infected and maintained in the absence of IL-7. The fraction of HIV-1 infected CD4+ T cells expressing the apoptotic marker APO2.7 was reduced and the levels of the antiapoptotic factor Bcl-2 in infected cells were increased in the presence of IL-7. Conclusions. HIV-1 infection is associated with a general alteration of the cytokine spectrum in semen, and with the local reactivation of CMV and EBV in the MGT, two phenomena that appear to be related and may affect each other. The reduced flexibility of the cytokine network may favors the reactivation of such latent infections. Among seminal cytokines, IL-7 exerts a protective effect on HIV-1-infected CD4+ T cells in the early stages of infection, preventing their death and thus promoting the establishment of a productive infection in the female genital tract. Understanding how other cytokines in concert with co-infecting pathogens found in semen affects HIV-1 sexual transmission will be object of further investigations.

Background. Nel seme Human immunodeficiency virus (HIV)-1 e co-patogeni sono presenti in una complessa rete di citochine che influenza la replicazione locale e l’infettivita’ dei patogeni sessualmente trasmissibili, e, allo stesso tempo, è influenzata dalle infezioni del tratto genitale maschile (MGT). La comprensione di queste interazioni richiede un'analisi approfondita dei co-patogeni che infettano il MGT e delle citochine presenti nel liquido seminale, e delle relazioni intercorrenti tra questi e HIV-1. Metodi. La carica virale di 6 herpesvirus e HIV-1 e’ stata valutata nel plasma seminale e sanguigno di 83 soggetti HIV-1 infetti cronici non in terapia, e di 33 soggetti non infetti mediante real-time PCR. Un saggio multiplex basato su beads è stato utilizzato per misurare i livelli di 21 citochine. I rapporti tra citochine sono stati definiti mediante il calcolo del coefficiente di correlazione di Spearman per tutte le possibili coppie di citochine. Blocchi di tessuto cervico-vaginale e linfoide umano sono stati inoculati con HIV-1 e trattati con interleuchina (IL)-7. La replicazione di varianti HIV-1 R5 o X4 è stata monitorata mediante misurazione della produzione dell’antigene p24gag. Cellule isolate da blocchi di tessuto al giorno 6 e 9 postinfezione sono state caratterizzate per l'espressione dei marcatori CD3, CD4, CD8,e HIV-1 p24gag, e l’apoptosi è stata valutata misurando l'espressione delle proteine APO2.7 e Bcl-2 mediante citofluorimetria a flusso. Risultati. La maggioranza dei campioni di seme, ma non di sangue, dei soggetti HIV-1-infetti e’ risultata positiva per EBV e CMV (56% e 70%). Sangue e seme sono compartimenti immunologici separati e con l’infezione da HIV-1 il seme e’ il compartimento interessato dai maggiori cambiamenti nella composizione citochinica (16 vs 9 citochine alterate nel sangue). La riattivazione di CMV nel MGT è associata ad un aumento dei livelli delle citochine CCL5, CCL11 e CXCL9 nel seme. L’analisi dei rapporti tra citochine ha rivelato un numero maggiore di correlazioni e un aumento dell’intensita’ di correlazione per la maggior parte delle citochine sia nel seme che nel sangue dei soggetti HIV-1-infetti, rispetto ai non infetti. IL-7 e’ risultata essere una tra le citochine più concentrate nel seme e l’infezione da HIV-1 ne aumenta ulteriormente i livelli seminali. Abbiamo dunque utilizzato un sistema di infezione ex vivo di tessuti umani per studiare il ruolo di IL-7 nella trasmissione di HIV-1. IL-7 e’ risultata promuovere la replicazione di varianti R5 e X4 di HIV-1 in modalita’ dose e tempo-dipendente. In blocchi di tessuto trattati con 25 ng/mL di IL-7 e’ stato osservato un numero maggiore di cellule T CD4+ infette e una riduzione della deplezione cellulare, rispetto a blocchi di tessuto non trattati con IL-7. Il trattamento con IL-7 e’ risultato inoltre in una riduzione della frazione di cellule T CD4+ infette esprimenti il marcatore apoptotico APO2.7 e in un aumento dei livelli di espressione del fattore anti-apoptotico Bcl-2. Conclusioni. HIV-1 è associato ad una alterazione generale dello spettro citochinico nel seme e alla riattivazione locale di CMV e EBV nel MGT, due fenomeni che sembrano essere correlati e potrebbero dunque influenzarsi reciprocamente. La ridotta flessibilita’ dei rapporti tra citochine potrebbe ulteriormente contribuire alla riattivazione di tali infezioni latenti. Tra le citochine nel seme, IL-7 esercita un effetto protettivo sulle cellule T CD4+ infette, favorendo lo stabilirisi di una infezione produttiva nel tratto genitale femminile. La comprensione di come il complesso di citochine, di concerto con i co-patogeni presenti nel seme, influenzano la trasmissione sessuale di HIV-1 sarà oggetto di ulteriori indagini.